RU2596605C2 - Водородный генератор электрической энергии - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к альтернативной энергетике. Технический результат - повышение производительности выработки водорода, повышение КПД и уменьшение габаритов. Водородный генератор электрической энергии содержит последовательно соединенные преобразователь воды в водород, камеру сжигания водорода и преобразователь тепловой энергии продуктов горения водорода в электрическую энергию. Согласно изобретению камера сжигания водорода выполнена в виде плазменной горелки, снабженной воздухозаборными прорезями. Преобразователь тепловой энергии продуктов горения водорода в электрическую энергию выполнен в виде магнитного преобразователя, содержащего диэлектрическую трубу прямоугольного сечения, внутри которой с двух противоположных сторон установлены разноименные по заряду пластины электрического конденсатора. На внешней стороне трубы с двух других противоположных сторон установлены магниты, которые ориентированы друг к другу разноименными полюсами. Плазменная горелка соединена соосно и встык с диэлектрической трубой магнитного преобразователя, электрический конденсатор которого по потенциальным выходам соединен с электрическими выходами водородного генератора. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к альтернативной энергетике, конкретно к водородным источникам электрической энергии, использующим воду в качестве рабочего вещества.

В последние годы в мире резко возрос интерес к альтернативным источникам /1-2/ тепловой и электрической энергии, использующим воду (H₂O) в качестве рабочего вещества взамен или в дополнение к углеводородным источникам энергии.

Это связано не только с истощением в природе углеводородных источников сырья и ростом стоимости их добычи, но и с тем, что вода является высококонцентрированным широко распространенным и доступным в природе источником горючих веществ - водорода и кислорода. Согласно /3/ один литр воды H₂O содержит около 1800 литров водорода с удельной теплотой сгорания Q=10,78 кДж/л (1.21·10⁸ Дж/кг) /3/. Для сравнения /4/ удельная теплота сгорания торфа составляет 8.1·10⁶ Дж/кг, бытового газа - 13.25·10⁶ Дж/кг, бензина - 44·10⁶ Дж/кг, ядерного топлива 824·10¹¹ Дж/кг.

Чем больше удельная теплота сгорания топлива, тем меньше удельный расход топлива, меньше габариты камеры сгорания источника электрической энергии и его габариты в целом при той же величине коэффициента полезного действия (КПД) источника энергии.

Разрыв молекулярных связей водорода и кислорода в воде, разложение (катализ) ее на горючие составляющие и выделение водорода требуют существенных энергетических затрат. Однако применение химических, твердотельных, электролитических, электродуговых, электромагнитных катализаторов и их комбинаций позволяет снизить /5-11/ затраты на катализ воды до приемлемых значений и, следовательно, синтезировать из воды водородное топливо, существенно превышающее по теплотворной способности существующие виды углеводородного топлива. Это в свою очередь позволяет обеспечить местным электропитанием объекты сельскохозяйственного и промышленного назначения удаленных территорий, а также исключить необходимость доставки и хранения на этих территориях огромных запасов топлива.

Известны источники электрической энергии /12÷21/, использующие воду в качестве рабочего вещества и основанные на катализе (разложении) рабочего вещества на горючие составляющие с последующим преобразованием их энергии в химической реакции горения в тепловую энергию и затем - тепловой энергии в электрическую энергию через электродинамическое или электромеханическое преобразование.

Наиболее близким из известных по назначению и технической сущности к заявляемому изобретению относится водородный генератор электрической энергии /21/, включающий последовательно соединенные преобразователь воды в водород, камеру сжигания водорода и преобразователь тепловой энергии продуктов горения водорода в электрическую энергию.

При этом преобразователь воды в водород выполнен в виде электролитического катализатора, камера сжигания водорода - в виде парогенераторной горелки, а тепловой преобразователь энергии плазмы в электрическую энергию - в виде термоэлектронного генератора, соединенного через турбогенератор с парогенераторной горелкой.

Недостатками известного водородного генератора электрической энергии являются увеличенные массогабаритные характеристики и низкий КПД, препятствующие его использованию на автономных объектах и объектах сельскохозяйственного назначения, удаленных от энергетических центров и центральных линий электропередач.

Задачей изобретения является устранение недостатков известного источника электрической энергии.

Техническим результатом изобретения является уменьшение массогабаритных характеристик водородного генератора электрической энергии и повышение его КПД.

Достижение заявленного технического результата и, как следствие, решение поставленной задачи достигается тем, что водородный генератор электрической энергии содержит последовательно соединенные преобразователь воды в водород, камеру сжигания водорода и преобразователь тепловой энергии продуктов горения водорода в электрическую энергию. Согласно изобретению камера сжигания водорода выполнена в виде плазменной горелки, снабженной воздухозаборными прорезями, а преобразователь тепловой энергии продуктов горения водорода в электрическую энергию выполнен в виде магнитного преобразователя, содержащего диэлектрическую трубу прямоугольного сечения, внутри которой с двух противоположных сторон установлены разноименные по заряду пластины электрического конденсатора, а на внешней стороне трубы с двух других противоположных сторон - магниты, которые ориентированы друг к другу разноименными полюсами, причем плазменная горелка соединена соосно и встык с диэлектрической трубой магнитного преобразователя, электрический конденсатор которого по потенциальным выходам соединен с электрическими выходами водородного генератора.

Преобразователь воды в водород выполнен в виде электролитического, или химического, или твердотельного, или электромагнитного, или электродугового катализатора.

Преобразователь воды в водород в виде химического катализатора выполнен в виде сменного одноразового генератора водорода, содержащего баллон с водой, внутри которого установлена капсула с термохимическим катализатором, соединенная через электромагнитный клапан и дозатор с полостью баллона.

Преобразователь воды в водород в виде твердотельного катализатора выполнен в виде твердотельного фильтра с микроканалами из материалов, связывающих кислород воды и пропускающих водород, причем в качестве связывающих материалов использованы редкоземельные материалы, например губчатый неодим, или углеродные материалы с замещениями в их «нанотрубках» атомов углерода на атомы азота.

Преобразователь воды в водород в виде электродугового катализатора установлен в газовой горелке и содержит катод, выполненный в виде стержня, подвижно расположенного в полости горелки на ее оси с возможностью электрического замыкания с анодом - соплом горелки, выполненным в виде конфузора с диафрагмой, при этом полость горелки соединена через испаритель с емкостью с водой.

Выполнение преобразователя воды в водород в виде электролитического, химического, твердотельного, электромагнитного и/или электродугового катализатора позволяет использовать многовариантность исполнения, обеспечивающую доступность для конкретного производителя элементной базы в интересах ускоренной реализации генератора водорода с требуемой производительностью водорода в единицу времени.

Выполнение камеры сжигания водорода в виде плазменной горелки, снабженной воздухозаборными прорезями и соединенной встык и соосно с преобразователем тепловой энергии продуктов горения водорода в электрическую энергию, позволяет использовать атмосферный кислород воздуха в качестве окислителя водорода в реакции его горения и одновременно получить добавочную электрическую составляющую в выходной энергии горелки. Это связано с тем, что в факеле горения плазменной горелки и внутри ограниченного пространства последующего преобразователя температура достигает от 6000 до 10000°С. Для сравнения температура на поверхности Солнца 6000°С. Указанная температура в свою очередь позволяет разложить на электроны и ионы подаваемый через воздухозаборники горелки атмосферный воздух в последующем магнитном преобразователе. Учитывая, что плотность n_e нейтральных частиц атмосферного воздуха в приземных слоях атмосферы составляет n_e ≈ 2.54·10¹⁹ см^-3 /22/ и существенно (на несколько порядков) превышает плотность частиц исходного водорода в горелке, то определяющим вкладом в электрическую составляющую выходной энергии последующего преобразователя тепловой энергии продуктов горения водорода в электрическую энергию будет не водородная, а атмосферная плазма с указанной выше плотностью.

Выполнение преобразователя тепловой энергии продуктов горения водорода в электрическую энергию в виде магнитного преобразователя позволяет использовать эффект Лоренца для разделения электрических зарядов текущей атмосферной плазмы в зоне горения водорода и обеспечить непосредственное преобразование энергии разделенных зарядов в электрическую энергию. Этим исключаются дополнительные ступени преобразования энергии плазмы, свойственные прототипу /21/.

Следствием указанных технических преимуществ изобретения является повышение КПД водородного генератора электрической энергии. Одновременно уменьшаются и массогабаритные характеристики заявленного генератора.

Указанные технические преимущества изобретения позволяют создать малогабаритные и мобильные водородные генераторы электрической энергии и решить указанные выше проблемы энергообеспечения объектов сельскохозяйственного и промышленного назначения.

На фиг. 1 представлена конструкция водородного генератора электрической энергии с электромагнитным катализатором; на фиг. 2 - рисунок, поясняющий принцип разложения воды на водород и кислород с использованием электромагнитного излучения (ЭМИ); на фиг. 3 - вид конструкции магнитного преобразователя в поперечном сечении А-А.

Водородный генератор электрической энергии для выработки электроэнергии на основе катализа воды в общем случае содержит последовательно соединенные преобразователь 1 воды в водород, плазменную горелку 2 и магнитный преобразователь 3 энергии плазмы в электрическую энергию.

При этом преобразователь 1 воды в водород выполнен в виде электролитического /6/, химического, твердотельного /2/, электродугового /23/ и/или электромагнитного /17, 18/ катализатора с электропитанием от автомобильного аккумулятора (типа Tesla Motors или Power Japan Plus), от блока солнечных батарей или от ветрового электрогенератора.

Ввиду высокой химической активности водорода по отношению к металлам и атмосферному воздуху время его химической чистоты, жизни и энергетической ценности ограничено. В связи с этим существует проблема хранения и использования водорода.

Для исключения этой проблемы все указанные выше виды преобразователей 1 предполагают в изобретении использование полученного водорода сразу после его генерации и вывода во внешнюю среду.

Наиболее просто в настоящем изобретении для преобразования воды в водород могут найти применение широко распространенные электролитические катализаторы /6, 23/, используемые в тепловых котлах, а также в автомобильных водородных приставках для экономии бензина и дизельного топлива.

Недостатком указанных электролитических преобразователей 1 является относительно низкая производительность по производству водорода.

Поэтому в изобретении, как и в /3/, для увеличения выхода водорода из воды электролитическим методом катализируемая вода может содержать жидкие химические катализаторы типа щелочь, спирт, бензин в процентном отношении 10-40% от объема воды. Кроме того, получение при этом достаточного для заявленного изобретения текущего по объему выхода водорода обеспечивается дублированием электролитических каналов генерации водорода.

Химический катализатор преобразователя 1 воды в водород согласно изобретению выполнен в виде сменного одноразового генератора водорода. Он содержит баллон с водой объемом от 1 до 3 л. Внутри баллона установлена капсула с химически активным веществом, соединенная через дозатор с полостью баллона. Химически активное вещество капсулы выполнено на основе щелочных металлов (натрий, литий, рубидий, цезий), вступающих в реакцию с водой с выделением водорода.

Твердотельный катализатор преобразователя 1 согласно изобретению выполнен в виде твердотельного фильтра с микроканалами (нанотрубками) из материалов, связывающих кислород воды и пропускающих водород. В качестве связывающих материалов использованы редкоземельные материалы, например губчатый неодим. Для уменьшения стоимости фильтра вместо редкоземельных материалов могут быть использованы углеродные материалы с замещениями в их «нанотрубках» атомов углерода на атомы азота. За счет наличия дефектов углеродные нанотрубки обладают химической активностью, благодаря которой они могут выступать в роли катализатора воды и ее паров. Эффективность такого катализатора близка к эффективности платинового катализатора. Кроме этого нанотрубочный углеродный катализатор одинаково хорошо работает в нейтральной, кислотной и щелочной окружающей среде, что позволяет использовать эти катализаторы в паре с другими катализаторами, связывающими кислород, например с электролитическими катализаторами.

Электродуговой катализатор преобразователя 1 согласно изобретению, как и в /24/, конструктивно совмещен с плазменной горелкой 2 с электропитанием от электронного преобразователя первичного электричества в постоянное напряжение U с возможностью его регулировки в диапазоне U=(36…70) В и током нагрузки I=6÷12 А. Плазменная горелка 2 содержит ствол (диэлектрическую трубу), на выходном конце которой установлено токопроводящее сопло - анодный электрод, соединенный с анодом (положительным полюсом) электронного преобразователя. Внутри ствола горелки подвижно установлен токопроводящий стержень - катодный электрод. Одним концом стержень электрически соединен с катодом электронного преобразователя. Другой свободный конец стержня снабжен тугоплавким наконечником, например из вольфрама, для зажигания и управления горением электрической дуги в стволе горелки. На внешней стороне ствола горелки в районе горения дуги соосно установлен цилиндрический испаритель воды, соединенный с емкостью - аккумулятором воды и с полостью ствола горелки сообщающимися каналами.

Принцип работы этого катализатора основан на зажигании в стволе горелки электрической дуги, которая разлагает пары воды, поступающие из испарителя, на горючие составляющие - водород и кислород - и поджигает их. В результате горения водорода, обладающего повышенной теплотворной способностью, в сопле горелки за счет экзотермической реакции окисления водорода выделенным из воды и атмосферным кислородом автоматически выделяется огромное количество тепла, создающее плазменное образование с температурой (6000÷10000)°С в его центре. При этом под естественно образованным давлением расширяющейся плазмы последняя выходит из сопла горелки 2 в виде плазменной струи и далее используется в магнитном преобразователе 3 для получения электричества, как это будет показано ниже.

В отличие от электродугового катализатора электромагнитный катализатор преобразователя 1 (фиг. 1), как и в /17÷18/, содержит генератор 1.1 электромагнитного излучения (ЭМИ) сантиметрового /18/, оптического или ультрафиолетового /17/ диапазона электромагнитных волн, попадающих в зону резонансного поглощения ЭМИ молекулами и атомами воды и ее примесей. Выход генератора 1.1 ЭМИ через соответствующий радио- или оптический волновод 1.2 и фокусирующую линзу 1.3 соединен по электромагнитному излучению с внутренней полостью нижней части камеры 1.4. Камера 1.4 (фиг. 2) снабжена патрубком 1.5 для дозированной подачи в нее воды (рабочего тела). Верхняя часть камеры 1.4 разделена вертикальной перегородкой 1.6 на две полусферы 1.7 и 1.8 для сбора газов водорода и кислорода соответственно. В полусферах 1.7 и 1.8 камеры 1.4 установлены электроды 1.9 и 1.10, а также патрубки 1.11 и 1.12 для вывода водорода и кислорода соответственно. Патрубок 1.11 для исключения возврата водорода в камеру 1.4 и образования в ней «гремучей смеси» оснащен вытяжным вентилятором или водяным затвором 1.13. Для исключения случайных выбросов воды в патрубки 1.11 и 1.12 в камере 1.4 установлены отсекающие фильтры в виде решетки 1.14 с микроотверстиями для газовых составляющих. Для раздельного вывода газовых составляющих (ионов водорода и кислорода) решетки 1.14 полусфер 1.7 и 1.8 соединены с соответствующими электродами 1.9 и 1.10. Водородный выход 1.15 камеры 1.4 соединен с плазменной горелкой 2.

Горелка 2 всех видов преобразователей 1 снабжена воздухозаборными прорезями и соосно соединена с магнитным преобразователем 3 тепловой энергии плазмы в электрическую энергию.

Магнитный преобразователь 3 содержит диэлектрическую трубу 3.1, соединенную соосно и в стык с магнитной горелкой 2. Внутри трубы 3.1 с двух противоположных сторон установлены разноименные по заряду металлические пластины 3.2 и 3.3 из немагнитного материала (медь, алюминий, нержавеющая сталь), образующие электрический конденсатор, выполняющий в изобретении роль магнитокаталитического аккумулятора - емкостного накопителя электрических зарядов под действием магнитной силы Лоренца. Для этого (разделения и удержания разноименных зарядов на пластинах 3.2 и 3.3) на других противоположных сторонах трубы 3.1 с внешней стороны установлены магниты 3.4 и 3.5, ориентированные друг к другу разноименными полюсами.

В простейшем случае водородный генератор электрической энергии может быть выполнен на базе указанного выше промышленного /24/ малогабаритного плазменного сварочного аппарата «Горыныч» с электродуговым катализатором воды путем установки на выходе его сварочной горелки 2 магнитного преобразователя 3 объемом камеры 3.1 единицы ÷ десятки см³.

Водородный генератор электрической энергии с электродуговым катализатором /24/ воды работает следующим образом.

Аккумулятор горелки 2 заполняют водой в объеме 100÷200 мл. Далее на электроды горелки, ее анод и катод подается первоначальная минимальная разность потенциалов U_o=36 В. Затем оператор нажимает на привод подвижного катодного электрода и подводит последний к аноду сопла на расстояние d_o=U_o/E_пр, где E_пр=32 кВ/см - напряженность электрического поля, приводящая к пробою атмосферного воздуха. При d_o ≈ 1 мм между электродами горелки возникает электрическая дуга с малым омическим сопротивлением. После этого для поддержания электрической дуги в горящем состоянии согласно /25/ требуется пониженная напряженность электрического поля E_c=20 В/см. Поэтому для поддержания стабильного горения дуги и экономии электричества катод отодвигают назад от горелки на расстояние d₁=U_o/E_c=1.3 см. Под действием электрической дуги постоянного тока, горящей в пространстве между катодом и соплом-анодом, теплопроводящие элементы электродного узла горелки нагреваются до температуры, достаточной для испарения и закипания воды в испарителе, связанном с внутренней полостью аккумулятора - емкостью с водой. Пары воды, проходя от испарителя под давлением до сопла-анода, охлаждают катод и сопло-анод, перегреваются до температуры сухого пара. Сжатая под действием магнитодинамических сил дуга, в межэлектродном пространстве нагревает пар до температуры ионизации и формирует плазму. В результате этих процессов в горелке создается избыточное давление, под действием которых плазменная струя с начальной температурой Т=6000°С выходит через отверстие сопла-анода и поступает в камеру 3.1 магнитного преобразователя 3. Для эффективного преобразования энергии плазмы в электрическую энергию в магнитном преобразователе 3 важное значение имеет электронная плотность плазмы.

Потому для лучшего понимания сущности преобразования энергии плазмы в электрическую энергию остановимся на физике плазмохимических процессов, протекающих в плазменной струе.

При температуре Т=6000°С, соответствующей температуре плазмы на поверхности Солнца, в плазменной струе горелки 2 происходят плазмохимические процессы /26/, вызывающие полную ионизацию атмосферного воздуха в центре этой струи. При этом концентрация зарядов n_e в центре плазменной струи становится равной ее предельному значению n_e=n_пр≈2.54·10¹⁹ см^-3, где n_пр - максимальная плотность нейтральных частиц в приземных слоях атмосферы. На периферийных сторонах плазменной струи численное значение n_e≈0. Это связано с тем, что в плазменной струе горелки 2 одновременно идут два процесса: процесс ионизации атмосферного воздуха за счет тепла, выделяющегося при экзотермической реакции горения водорода, и процесс релаксации (преобразования в нейтральные частицы) плазмы за счет электронного захвата заряженных частиц воздухом, окружающим плазменную струю. Для эффективного преобразования энергии плазменной струи в электрическую энергию желательно иметь по боковым сторонам струи плотность зарядов такую же, как и в ее центре.

Увеличение количества сжигаемого водорода в горелке 2 путем увеличения его производства с помощью поднятия напряжения на электродах горелки 2 и увеличения тока ее электрической дуги в свободном пространстве (вне камеры 3.1) к существенному увеличению объема высоко концентрированной плазмы не приводит. Это связано с тем, что увеличение объема сжигаемого водорода приводит к увеличению преимущественно геометрических характеристик плазменной струи. Увеличение при этом ее поверхности приводит к резкому ускорению процессов релаксации зарядов плазмы за счет расширения площади взаимодействия последних с окружающим воздухом.

Более перспективным направлением увеличения плотности зарядов в плазменной струе является ограничения доступа нейтральных частиц с боковых сторон плазменной струи с одновременным незначительным увеличением расхода водорода и энергетики на его получение.

В изобретении это достигается путем сосной состыковки газовой горелки с камерой 3.1 магнитного преобразователя 3 и подачей в камеру 3.1 воздуха (окислителя водорода) со стороны горелки 2 через воздухозаборные вырезы в горелке 2.

Благодаря этому струя плазмы, проходящая вдоль оси камеры 3.1, не встречает с боковых сторон сильного релаксационного противодействия. Процесс тепловой ионизации превалирует над процессом релаксации и плотность плазмы в перечном сечении камеры 3.1 устанавливается равномерной и достигает своего предельного значения n_e=n_пр≈2.54·10¹⁹ см^-3. Поток заряженных частиц плазменной струи проходит через поперечное магнитное поле магнитов 3.4 и 3.5, под действием силы Лоренца разделяется на потоки отрицательных и положительных зарядов и через токосъемные пластины 3.2 и 3.3 передается конечному потребителю энергии в виде разности потенциалов накопленных зарядов указанных пластин.

При других исполнениях водородный генератор электрической энергии работает следующим образом.

Преобразователь 1 с электролитическим катализатором при пропускании через воду однополярных импульсов преобразует воду (H₂O) в парогазовую смесь, содержащую отрицательные ионы водорода (Н^-) и положительные ионы кислорода (O⁺). Разноименно горючие составляющие пространственно разделяют (электролитический и электромагнитный катализаторы) постоянным электрическим полем за счет использования разности (по знаку) зарядов водорода и кислорода. Затем кислород удаляют в атмосферу, улучшая экологию окружающей среды. В химическом преобразователе 1 - генераторе водорода - используется химическая реакция с преимущественным выделением чистого водорода, например лития (Li) с водой (H₂O) в реакции 2Li+H₂O→LiOH+Н₂.

В твердотельном преобразователе воды в водород использовано свойство повышенной активности водорода в присутствии редкоземельных металлов, а также малые размеры молекул водорода и повышенная их проницаемость через поры (нанотрубки) фильтрующего материала по сравнению с кислородом.

Указанные частные варианты исполнения катализаторов 1 являются альтернативными и могут использоваться для экономии первичного электричества для получения водорода из воды в предложенном водородном генераторе электрической энергии.

Изобретение разработано на уровне физической модели и ниже приведенных теоретических расчетов.

Согласно /10, с. 355/ численное значение электрической энергии WЭ1 на выходе преобразователя 3, полученное на основе прямого магнитного преобразования энергии плазмы горелки 2 в электрическую энергию, в первом приближении определится из условия

где:

Q - удельное количество электричества, создаваемое на пластинах 3.2 и 3.3 емкостного накопителя в единицу времени (кулон/сек);

C - емкость накопителя магнитного преобразователя 3;

ε - относительная диэлектрическая проницаемость воздуха;

ε₀ - электрическая постоянная вакуума;

S - площадь пластин 3.2 и 3.3;

d - расстояние между разноименно заряженными пластинами 3.2 и 3.3;

N=1 - количество пар разноименно заряженных пластин 3.2 и 3.3 в емкостном накопителе.

Проведем экспресс-оценку удельного значения электрической энергии $$W_{Э}^{УД}=W_{Э}/\text{}см3$$

, снимаемой с единичного объема (ΔV=1 см³) камеры 3.1 преобразователя 3.

В этом случае, учитывая вытянутую структуру факела горелки 2, минимальные размеры емкостного конденсатора - накопителя электрической энергии, вмонтированного в камеру 3.1 с единичным объемом (ΔV=1 см³), могут составлять S≈2 см², d≈0.5 см. При таких параметрах минимальное значение емкости накопительного конденсатора зарядов согласно выражению (2) может составлять

Текущее значение электричества Q, указанное в выражении (1) и получаемое конденсатором с емкостью C=1.8·10^-13 Ф при переработке порции плазмы единичным объемом ΔV=1 см³/с = 10^-6 м³/с может быть найдено из условия

где:

n_e≈2.54·10¹⁹ см^-3 - плотность элементарных зарядов в плазме камеры 3.1 при температуре свыше 6000°С;

ΔV=1 см³/с - объем тепловых газов, перерабатываемых в единицу времени;

q_e=1.602·10^-19 - численное значение элементарного заряда.

Подставляя эти численные значения в выражение (3) находим

Q=4·к/с.

При 100% переработке плазмы (КПД=1) все частицы n_e≈2.54·10¹⁹ см³ оседают на пластинах 3.1, 3.2 под действием силы Лоренца в поле магнитов 3.4, 3.5 и максимально возможное значение выходной электрической энергии $$W_{Э}^{УД}$$

, найденное из формулы (1), составляет

Такое оптимистичное значение потенциально возможной выходной энергии предложенного генератора, превышающее энергетику атомных и тепловых энергоблоков, свидетельствует о перспективности магнитного преобразования плазмы в электрическую энергию.

Пессимистические оценки выходной энергетики $$W_{Э}^{УД}(min)$$

(перехватывается магнитным полем только 0, 0001% текущих зарядов n_e≈2.54·10¹⁹ см^-3) по формулам (1÷3) дают величину $$W_{Э}^{УД}(min)=1кДжвсек$$

, (3.6 Мвт-час). При этом текущие затраты водорода на создание факела горения с температурой 6000÷10000°С, обеспечивающей инициирование в камере 3.1 реакцию лавинной ионизации атмосферного воздуха при этой температуре, составляют от 180 до 360 л/час, а воды - соответственно от 100 до 200 г/час.

Из приведенных расчетов видно, что, несмотря на малые габариты, предложенный водородный генератор электрической энергии обладает (за счет экзотермических плазменных процессов /26/, протекающих при температуре свыше 6000°С в камере 3.1, и за счет магнитного преобразования плазмы в электричество) повышенной удельной энергетикой, существенно превышающей удельную (электричество/масса) энергетику существующих тепловых и атомных электростанций.

В данном примере расчета не учтены тепловые (резистивные) потери и потери на излучение и охлаждение плазмы магнитным полем преобразователя 3.

При 99% указанных потерь (КПД=0.1%) выходная энергия $$W_{Э}^{УД}$$

предложенного водородного генератора электрической энергии будет составлять $$W_{Э}^{УД}=16\cdot 10^4ГВт-час.$$

Вывод такой энергии технически реализуем путем соответствующего увеличения сечения токовыводящих проводов, пластин 3.2 и 3.3, камеры 3.1 и применения средств охлаждения последней.

Предложенная конструкция водородного генератора электрической энергии обладает повышенным КПД и уменьшенными габаритами. Это позволяет создавать малогабаритные источники электрической энергии с мощностью, достаточной для применения на объектах сельскохозяйственного и промышленного назначения.

Другим преимуществом устройства является возможность его работы без углеводородного топлива. Преимущественное применение водородного генератора электрической энергии может найти в районах Севера для электропитания объектов техники, удаленных от магистральных линий электропередач.

Источники информации:

1. Источники энергии на воде. http://www.bing.com/images/

2. Chemists develop technology to produce clean-burning hydrogen fuel // [http://phys.org/news/2014-07-chemists-technology-clean-burning-hydrogen-fuel.html], July 14, 2014.

3. Физическая энциклопедия. Под ред. А.М. Прохорова, т. 5, М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. с. 81.

4. Енохович А.С. Краткий справочник по физике. М.:, «Высшая школа», 1969, с. 74-75.

5. Основные результаты научных исследований института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН за 2011, г. Новосибирск. Каталитический бюллетень. №1 (67), 2012.

6. Ostwald W. Elektrochtmie. Ihre Geschichte und Lere, Lpz., 1898.

7. В.Д. Русанов, А.И. Бабарицкий, М.Б. Бибиков, Е.Н. Герасимов, В.К. Животов, А.А. Книжник, Б.В. Потапкин, Р.В. Смирнов. Свойства каталитически активного импульсного микроволнового разряда атмосферного давления», ДАН, 2001, т. 377, №6.

8. А.И. Бабарицкий, Е.Н. Герасимов, С.А. Демкин, В.К. Животов, А.А. Книжник, Б.В. Потапкин, В.Д. Русанов, Е.И. Рязанцев, Р.В. Смирнов, Г.В. Шолин Импульсно-периодический СВЧ-разряд как катализатор химической реакции. ЖТФ, 2000, т. 70, в. 11, с. 36-41.

9. Стратегия развития фотокатализаторов в диапазоне видимого света для разложения воды. Akihiko Kudo, Hideki Katol and Issei Tsuji Chemistry Letters Vol. 33 (2004), No. 12 p. 1534.

10. CHUKANOV KIRIL B, Methods and systems for generating high energy photons or quantum energy. US 6936971, 2003-05-22.

11. CHUKANOV KIRIL B. Transition of a substance to a new state through use ofenergizer such as RF energy. US 5537009, 1996-07-16.

12. Молекулярный источник электрической энергии. RU 2013117049, 2014.11.20.

13. Тепловая электростанция. RU 144307, 2014.08.20.

14. Плазменный источник энергии. RU 2485727, 2013.01.10.

15. Генератор шаровой молнии. RU 132664, 2013.09.20

16. Технологическая линия по производству электричества. RU 132641, 2013.09.20.

17. Газовый реактор, RU 2408418, 2011.01.10.

18. Газовый реактор с СВЧ-возбуждением. RU 91498, 2010.02.10.

19. Гибридный автомобиль. RU 2481969. 2012.11.27.

20. Электрический водородный генератор. US 4613304, 1986.09.23.

21. Электрический генератор. RU 2003107555 А, 2004.09.27.

22. Справочник по системотехнике. Под. ред. Р. Макола. М:, «Советское радио», 1970, с. 62.

23. Электролитический мотор. RU 2531006, 2014.10.20.

24. Руководство по эксплуатации прибора Горыныч. tiu.ru›Svarochnyj-apparat-gorynych.html. 13.12.2014.

25. Багрянский К.В., Добротина З.А., Хренов К.К. Теория сварочных процессов. Киев:, «Высшая школа», 1976, 420 с.

26. Плазмохимические реакции и процессы, под ред. Л.С. Полака, М., «Наука» 1977, 320 с.

Claims (5)

1. Водородный генератор электрической энергии, содержащий последовательно соединенные преобразователь воды в водород, камеру сжигания водорода и преобразователь тепловой энергии продуктов горения водорода в электрическую энергию, отличающийся тем, что камера сжигания водорода выполнена в виде плазменной горелки, снабженной воздухозаборными прорезями, а преобразователь тепловой энергии продуктов горения водорода в электрическую энергию выполнен в виде магнитного преобразователя, содержащего диэлектрическую трубу прямоугольного сечения, внутри которой с двух противоположных сторон установлены разноименные по заряду пластины электрического конденсатора, а на внешней стороне трубы с двух других противоположных сторон - магниты, которые ориентированы друг к другу разноименными полюсами, причем плазменная горелка соединена соосно и встык с диэлектрической трубой магнитного преобразователя, электрический конденсатор которого по потенциальным выходам соединен с электрическими выходами водородного генератора.

2. Водородный генератор по п. 1, отличающийся тем, что преобразователь воды в водород выполнен в виде электролитического, химического, твердотельного, электромагнитного или электродугового катализатора.

3. Водородный генератор по п. 2, отличающийся тем, что преобразователь воды в водород в виде химического катализатора выполнен в виде сменного одноразового генератора водорода, содержащего баллон с водой, внутри которого установлена капсула с термохимическим катализатором, соединенная через электромагнитный клапан и дозатор с полостью баллона.

4. Водородный генератор по п. 2, отличающийся тем, что преобразователь воды в водород в виде твердотельного катализатора выполнен в виде твердотельного фильтра с микроканалами из материалов, связывающих кислород воды и пропускающих водород, причем в качестве связывающих материалов использованы редкоземельные материалы, например губчатый неодим, или углеродные материалы с замещениями в их «нанотрубках» атомов углерода на атомы азота.

5. Водородный генератор по п. 2, отличающийся тем, что преобразователь воды в водород в виде электродугового катализатора установлен в газовой горелке и содержит катод, выполненный в виде стержня, подвижно расположенного в полости горелки на ее оси с возможностью электрического замыкания с анодом - соплом горелки, выполненным в виде конфузора с диафрагмой, при этом полость горелки соединена через испаритель с емкостью с водой.

Images